Báo cáo tổng hợp về CAM3 0

Báo cáo tổng hợp về CAM3.0
Biên tập bởi:
Đức Trần
Báo cáo tổng hợp về CAM3.0
Biên tập bởi:
Đức Trần
Các tác giả:
Đức Trần
Phiên bản trực tuyến:
/>MỤC LỤC
1. Tóm tắt mô hình CAM3.0
2. Lịch sử mô hình CAM3.0
3. Động lực và tham số hóa mô hình CAM3.0
4. Cấu trúc mô hình CAM3.0
Tham gia đóng góp
1/13
Tóm tắt mô hình CAM3.0
MÔ HÌNH KHÍ HẬU KHÍ QUYỂN CAM3.0
TS. Trần Quang Đức
Khoa Khí tượng-Thủy văn và hải dương học
Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội
CAM3.0 là mô hình khí hậu khí quyển 3-chiều thế hệ thứ năm, là phiên bản gần đây
nhất được thiết kế tại Trung Tâm Nghiên Cứu Khí Quyển Quốc Gia – Hoa Kỳ (NCAR).
Thế hệ mô hình đầu tiên đã được phát triển trên 15 năm, trải qua nhiều phiên bản với
những cải tiến, nâng cấp đến nay CAM3.0 gồm nhiều tính năng, có cơ sở vật lý chặt
chẽ, cấu trúc mô hình tương đối đơn giản. Sử dụng CAM3.0 chạy mô phỏng hạn dài,
tiến hành đánh giá bước đầu một tháng tiêu biểu mùa hè và mùa đông.
2/13
Lịch sử mô hình CAM3.0
Tóm tắt lịch sử phát triển
CAM 3.0 là tên bộ mô hình khí hậu khí quyển, được viết tắt bằng cách lấy 3 chữ cái đầu

tiên của 3 từ tiếng Anh “Community Atmosphere Model 3.0”, có nghĩa là “Mô hình khí
quyển cộng đồng 3.0” [4].
Khoảng 15 năm gần đây, nhóm Khí hậu và Động lực toàn cầu (Climate and Global
Dinamics - CGD) thuộc Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia – Hoa Kỳ (NCAR)
đã xây dựng mô hình tổng quát khí quyển toàn cầu 3 chiều.
Với mong muốn được phổ biến rộng rãi, mô hình được thiết kế có những công cụ mang
tính cộng đồng, nhiều người có thể sử dụng, sáng tạo và phát triển nên nó được đặt tên
là “Mô hình khí hậu cộng đồng” (Community Climate Model - CCM).
Phiên bản gốc Mô hình khí hậu cộng đồng của Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc
gia, CCM0A (1982) và CCM0B (1983), dựa trên cơ sở mô hình phổ của Úc 1977, 1978
và phiên bản đoạn nhiệt mô hình phổ (1979).
Thế hệ thứ hai mô hình cộng đồng, CCM1, được giới thiệu vào tháng 7 năm 1987, bao
gồm một loạt những thay đổi đáng kể trong xây dựng mô hình, chúng làm thay đổi cơ
bản đối với mô phỏng khí hậu. Những thay đổi chính trong mô hình bao gồm thay đổi
tham số hoá bức xạ, sửa lại kỹ thuật vi phân đối với chỉ số động lực, sửa lại các quá
trình khuếch tán theo phương thẳng đứng và phương ngang, và thay đổi tới trao đổi năng
lượng bề mặt.
CCM2 thế hệ thứ ba của Mô hình khí hậu cộng đồng, được giới thiệu vào tháng 10 năm
1992. Phiên bản này là kết quả của sự gắng sức lớn nâng cấp, thể hiện vật lý khoảng
rộng các quá trình khí hậu, bao gồm: mây, bức xạ, đối lưu ẩm, lớp biên hành tinh và vận
chuyển năng lượng. Mã nguồn CCM2 được cấu trúc lại sao cho thoả mãn được ba mục
tiêu chính:
• Dễ sử dụng hơn, bao gồm cả sự linh hoạt sử dụng trên các môi trường khác
nhau;
• Tiện lợi kết nối giao diện vật lý chuẩn;
• Kết nối những công việc đơn lẻ bằng những khả năng đa nhiệm.
Cấu hình mô hình chuẩn CCM2 có sự khác biệt cơ bản so với phiên bản trước ở hầu
hết mọi khía cạnh, bắt đầu từ độ phân giải, ở đây CCM2 sử dụng độ phân giải phổ theo
phương ngang T42 (bước lưới xấp xỉ 2,8x2,8 độ), với 18 mực theo phương thẳng đứng
3/13

và mực trên cùng cứng 2,917 mb. Thay đổi động lực bao gồm sử dụng trục toạ độ thẳng
đứng địa hình lai, kết hợp sơ đồ Bán-Lagrangian cho vận chuyển ẩm theo phương ngang.
Những thay đổi cơ bản về vật lý bao gồm việc sử dụng gần đúng ?-Eddington để tính
hấp thụ bức xạ mặt trời, sử dụng dạng đường Voigt để thực tế hơn đối với bức xạ hồng
ngoại làm lạnh tầng bình lưu vv…
CCM3 là thể hệ thứ tư trong loạt Mô hình khí hậu cộng đồng của NCAR. Có nhiều thay
đổi quan trọng trong lựa chọn tham số hoá vật lý, những thay đổi về động lực. Chú trọng
sửa đổi vật lý tiêu biểu đối với các quá trình khí hậu riêng trong CCM3, cũng như sửa
đổi để mô hình khí quyển kết nối tiện lợi, phù hợp hơn với các mô hình thành phần đất,
đại dương, băng biển. Có nghĩa là thay đổi quan trọng đối với mô hình khí quyển hướng
tới hệ thống hoá tốt hơn các nguồn năng lượng tại đỉnh và bề mặt khí quyển. So sánh
với phiên bản CCM2 những thay đổi chính có thể nhóm thành 5 nhóm:
• Thay đổi đối với truyền bức xạ qua cột không khí có và không có mây;
• Thay đổi các quá trình thuỷ văn (những thay đổi trong lớp biên, đối lưu ẩm, và
trao đổi năng lượng bề mặt);
• Kết nối mô hình bề mặt đất phức tạp;
• Kết nối thành phần đại dương lớp xáo trộn mỏng/nhiệt động lực biển băng;
• Lựa chọn những thay đổi khác có tính hình thức, mà không gây ra những thay
đổi tới bản chất mô hình khí hậu.
CAM 3.0 là thế hệ thứ năm mô hình khí hậu toàn cầu của NCAR. Tên được thay đổi
từ ‘Mô hình khí hậu cộng đồng’ thành ‘Mô hình khí quyển cộng đồng’ để phản ánh vai
trò của CAM 3.0 trong hệ thống khí hậu kết nối đầy đủ. Khác hẳn với những thế hệ mô
hình khí quyển trước, CAM 3.0 được thiết kế qua sự kết hợp giữa những người sự dụng
và những người xây dựng trong Nhóm làm việc mô hình khí quyển (AMWG).
Những thay đổi chính về vật lý bao gồm:
• Ngưng kết nước mây sử dụng sản phẩm dự báo. Sửa đổi tham số hoá theo
hướng thực tế hơn cho sự bốc hơi và ngưng kết dưới tác động bởi các quá trình
qui mô lớn và sự thay đổi các phần mây;
• Trọn gói nhiệt động lực mới đối với băng biển;
• Thể hiện rõ ràng phần phủ của đất và biển băng;

• Mới, tổng quát, và tiếp cận mềm dẻo trong việc tính toán bức xạ: Những tham
số hoá mới tính toán dòng bức xạ sóng ngắn, sóng dài và mức nhiệt lượng;
• Tham số hoá mới đối với hấp thụ sóng dài và phát xạ của hơi nước;
• Cập nhật mới hấp thụ gần hồng ngoại của hơi nước;
• Nền sol khí đồng dạng được thay thế bởi số liệu khí hậu hàng ngày đối với
sulfat, muối biển, dioxitcarbon, bụi. CAM 3.0 bao gồm cả cơ chế tác động của
sol khí núi lửa tới bức xạ sóng ngắn và sóng dài.
4/13
CAM 3.0 – là mô hình nghiên cứu, có thể chạy một cách độc lập và cũng có thể chạy
kết hợp với các mô hình thành phần của Bộ mô hình khí hậu cộng đồng (CCSM – gồm
bốn mô hình thành phần: Mô hình khí quyển, Mô hình đại dương, Mô hình đất, Mô hình
băng biển) [1,2].
5/13
Động lực và tham số hóa mô hình CAM3.0
Động lực và tham số hóa vật lý
CAM 3.0 phân tách rõ ràng phần tham số hóa vật lý và phần động lực, có thể dễ dàng
thay thế và biến đổi chúng một cách độc lập
Phương trình dự báo tổng quát cho biến ψcó dạng:
∂ψ
∂t
= D  ψ  + P  ψ 
(1.1)
trong đó ψ là biến dự báo như nhiệt độ, thành phần gió ngang vv…, Dthành phần động
lực và P thành phần tham số hóa vật lý [4].
Động lực
Mô hình CAM 3.0 sử dụng ba dạng động lực: (i) Động lực Ơle, (ii) Động lực Bán-
Lagrangian, (iii) Động lực thể tích hữu hạn. Trong khuôn khổ bài báo này sẽ chỉ mô tả
hệ trục tọa độ thẳng đứng được dùng cho ba dạng động lực, và các phương trình đối với
động lực thể tích hữu hạn.
Mô hình CAM 3.0 sử dụng hệ tọa độ thẳng đứng lai. Hệ tọa độ thẳng đứng lai được phát

triển vào năm 1981 với mục đích cung cấp khung áp dụng chung cho trục tọa độ thẳng
đứng, trong đó bám sát theo địa hình ở gần bề mặt Trái đất và trở thành hệ tọa độ áp suất
ở những lớp trên. Hệ tọa độ lai là khái niệm chung hơn so với sơ đồ hệ tọa độ ?. Tuy vậy
hệ tọa độ lai thường được định rõ theo cách sao cho hai hệ tọa độ đồng nhất [3].
Hệ tọa độ thẳng đứng đối với động lực Ơle [4]
Xuất phát từ những phương trình nguyên thủy trong hệ tọa độ thẳng đứng theo địa hình,
yêu cầu định rõ những tính chất cơ bản của hệ tọa độ. Nếu áp suất bề mặt là π, thì trục
tọa độ thẳng đứng η  p,π  thỏa mãn:
1. η  p,π  là hàm đơn của p
2. η  π,π  = 1
3. η  0,π  = 0
4. η  p
t
,π  = η
t
trong đó p
t
là đỉnh mô hình
6/13
Hệ tọa độ thẳng đứng đối với động lực Bán-Lagrangian
Động lực Bán-Lagrangian sử dụng cùng hệ tọa độ thẳng đứng ( η) như động lực Ơle,
bằng
p  η,p
s
 = A(η)p
0
+ B(η)p
s
(1.2)
trong đó p là áp suất, ps áp suất bề mặt mô hình, po là hằng số áp suất tra cứu, A và B là

các hệ số theo các mực mô hình.
Động lực thể tích hữu hạn
Trước hết xin đưa ra khái niệm “mật độ - giả” (pseudo-density)
π =
∂p
∂ζ
(gradient áp suất
thẳng đứng trong hệ tọa độ thẳng đứng tổng quát ζ).
Phương trình cân bằng thủy tĩnh trong hệ tọa độ Đề các có dạng:
1
ρ
∂p
∂z
+ g = 0
,(1.3)
trong đó ? mật độ không khí, p áp suất, và g hằng số gia tốc trọng trường. Phương trình
cân bằng thủy tĩnh mô tả mối quan hệ giữa mật độ-giả và mật độ thật trong hệ tọa độ
thẳng đứng ζ có dạng:
π = −
∂Φ
∂ζ
ρ
,(1.4)
trong đó Φ = gz địa thế vị. Ghi chú rằng πtrở thành “mật độ thật” nếu ζ = −gz , áp suất
bề mặt nếu
 σ =
p
P
s


. Phương trình mô tả định luật bảo toàn tổng khối lượng không khí
có dạng:
∂
∂t
π + ∇. 
→
V π  = 0
,(1.5)
trong đó
→
V =  u,v,
dζ
dt

. Tương tự như vậy phương trình mô tả định luật bảo toàn khối
lượng đối với hơi nước có thể được viết
∂
∂t
 πq  + ∇. 
→
V πq  = 0
(1.6)
trong đó q độ ẩm riêng hơi nước.
Phương trình mô tả định luật nhiệt động lực học thứ nhất đối với nhiệt độ thế vị θ có
dạng:
7/13
∂
∂t
 πθ  + ∇. 
→

V πθ  = 0
.(1.7)
Phương trình động lượng có dạng:
∂
∂t
u = Ω v −
1
Acosθ
[
∂
∂λ
 k + Φ − vD  +
1
ρ
∂
∂λ
p
]
−
dζ
dt
∂u
∂ζ
,(1.8)
∂
∂t
v = − Ω u −
1
A
[

∂
∂θ
 k + Φ − vD  +
1
ρ
∂
∂θ
p
]
−
dζ
dt
∂v
∂ζ
,(1.9)
trong đó  λ,θ  hệ tọa độ (kinh, vĩ), A bán kính Trái đất, ? hệ số phân kỳ lựa trọn, D
phân kỳ ngang
D =
1
Acosθ
[
∂
∂λ
 u  +
∂
∂θ
 vcosθ 
]
,
k =

1
2
 u
2
+ v
2

,
và Ω , thành phần thẳng đứng xoáy tuyệt đối, được xác định theo:
Ω = 2ωsinθ +
1
Acosθ
[
∂
∂λ
v −
∂
∂θ
 ucosθ 
]
,
trong đó ω vận tốc góc của Trái đất.
Tham số hóa vật lý [4]
Tham số hóa trong CAM 3.0 bao gồm một chuỗi các thành phần, được minh họa bởi
P = {M,C, R, S, T},(1.10)
Trong đó M biểu thị (Moist) quá trình giáng thủy, C biểu thị mây (Cloud), R biểu thị
bức xạ (Radiation), S biểu thị mô hình đất (Surface model), và T biểu thị xáo trộn rối
(Turbulent mixing). Mỗi trong số các thành phần trên lần lượt được chia nhỏ thành các
thành phần con khác nhau:
M quá trình giáng thủy gồm:

- Đoạn nhiệt khô điều chỉnh có lựa trọn, chỉ áp dụng trong tầng bình lưu;
- Đối lưu sâu;
- Đối lưu nông;
- Ngưng kết qui mô lớn ổn định.
8/13
C tham số hóa mây: tính toán phần mây, chúng ảnh hưởng mạnh tới tham số hóa bức xạ.
R tham số hóa bức xạ gồm:
- Tham số hóa bức xạ sóng ngắn (Chu trình ngày đêm, son khí, đặc tính quang học mây,
giao thoa mây, các thông lượng bức xạ sóng ngắn và mức độ đốt nóng);
- Tham số hóa bức xạ sóng dài (Hấp thụ, hơi nước, khí ga hiếm, tỉ lệ xáo trộn khí ga
hiếm, phát xạ của mây).
S tham số hóa các dòng bề mặt (trao đổi bề mặt của nhiệt, ẩm và động lượng) gồm:
- Mô hình đất;
- Mô hình đại dương;
- Mô hình băng biển;
- Hoặc tính toán các dòng trên cơ sở các điều kiện bề mặt riêng như nhiệt độ mặt nước
biển và phân bố biển băng.
T tham số hóa xáo trộn rối mà các thông lượng điều kiện biên dưới được cung cấp từ
các dòng bề mặt được tham số hóa từ thành phần S , bao gồm:
- Tham số hóa lớp biên hành tinh;
- Khuyếch tán thẳng đứng;
- Ảnh hưởng sóng trọng trường.
9/13
Cấu trúc mô hình CAM3.0
Cấu trúc mô hình CAM 3.0 [2]
Mô hình CAM 3.0 có thể được mô tả bởi ba khối chính: (i) khối số liệu đầu vào, (ii)
khối tính toán xử lý CAM 3.0, (iii) khối kết quả đầu ra (Hình 1).
Khối số liệu đầu vàoKhối CAM 3.0Khối kết quả đầu ra
Hình 1: Sơ đồ khối cấu trúc mô hình CAM 3.0
Khối số liệu đầu vào gồm một loạt các trường: số liệu khí nhà kính, khối số liệu điều

kiện ban đầu, số liệu ozon vv…được mô tả trên Hình 2
Khối số liệu đầu vào
Số liệu khínhà kínhSL điều kiệnban đầu cho mô hình đất
Số liệu địa hìnhKhối số liệu điều kiệnban đầu
SL bề mặt phân giải caoSố liệu Ozon
Số liệu thực vậtSSTSố liệu khí sulfatSố liệu bức xạ
Hình 2: Sơ đồ khối mô tả khối số liệu đầu vào
Trong đó, khối số liệu điều kiên ban đầu gồm một loạt trường các yếu tố mà các giá trị
được cho tại các nút lưới (Hình 3).
Khối số liệu điều kiện ban đầu
FIXME: A LIST CAN NOT BE A
TABLE ENTRY. Nhiệt độThành phần
gió vĩ hướng, kinh hướngĐộ ẩm riêng
hơi nướcThế vị bề mặtÁp suất bề mặt
FIXME: A LIST CAN NOT BE A TABLE
ENTRY. Dấu phân biệt đất/đại dươngNhiệt
độ bề mặtNhiệt độ bề mặt tuyết băngĐộ dầy
tuyếtKiểu đấtNhiệt độ 4 tiểu lớp băng biển
Hình 3: Trường các yếu tố bao gồm trong khối số liệu điều kiện ban đầu
Khối tính toán xử lý CAM 3.0 gồm nhiều các chương trình con xử lý số liệu và tính toán:
chương trình lập cấu hình, chương trình đọc số liệu, khối tính toán động lực vv…được
mô tả trên Hình 4
10/13
Khối CAM 3.0
Các CT lập cấu hình và thực thiCT kiểm soát lưới
Mô hình băng biểnCT đọc số liệu
Mô hình đấtKhối động lực
CT kết nối các thành phầnMô hình số liệu đại dương
Mô hình cột đơnCT so sánh kết quảVật lý (bức xạ, đối lưu…)Mô hình đại dương lớp
mỏng

Hình 4: Sơ đồ khối tính toán sử lý CAM 3.0
Khối số liệu đầu ra gồm gần 300 biến. Giá trị của các biến được cho tại các nút lưới với
độ phân giải của lưới là 2,50 kinh, vĩ và 26 mực theo chiều thẳng đứng (Hình 5).
Khối đầu ra
•
• Có định dạng NetCDF
• Độ phân giải ngang 2,50 và 26 mực thẳng đứng
• Gần 300 biến kết xuất
…Độ ẩm riêngQ (kg/kg)Nhiệt độT (K)Áp suất mực biểnPSL (Pa)Áp suất bề mặtPS (Pa)
Hình 5: Sơ đồ khái quát khối kết quả đầu ra
11/13
Tham gia đóng góp
Tài liệu: Báo cáo tổng hợp về CAM3.0
Biên tập bởi: Đức Trần
URL: />Giấy phép: />Module: Tóm tắt mô hình CAM3.0
Các tác giả: Đức Trần
URL: />Giấy phép: />Module: Lịch sử mô hình CAM3.0
Các tác giả: Đức Trần
URL: />Giấy phép: />Module: Động lực và tham số hóa mô hình CAM3.0
Các tác giả: Đức Trần
URL: />Giấy phép: />Module: Cấu trúc mô hình CAM3.0
Các tác giả: Đức Trần
URL: />Giấy phép: />12/13
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (Vietnam Open Educational Resources
– VOER) được hỗ trợ bởi Quỹ Việt Nam. Mục tiêu của chương trình là xây dựng kho
Tài nguyên giáo dục Mở miễn phí của người Việt và cho người Việt, có nội dung phong
phú. Các nội dung đểu tuân thủ Giấy phép Creative Commons Attribution (CC-by) 4.0
do đó các nội dung đều có thể được sử dụng, tái sử dụng và truy nhập miễn phí trước
hết trong trong môi trường giảng dạy, học tập và nghiên cứu sau đó cho toàn xã hội.

Với sự hỗ trợ của Quỹ Việt Nam, Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (VOER) đã trở thành
một cổng thông tin chính cho các sinh viên và giảng viên trong và ngoài Việt Nam. Mỗi
ngày có hàng chục nghìn lượt truy cập VOER (www.voer.edu.vn) để nghiên cứu, học
tập và tải tài liệu giảng dạy về. Với hàng chục nghìn module kiến thức từ hàng nghìn
tác giả khác nhau đóng góp, Thư Viện Học liệu Mở Việt Nam là một kho tàng tài liệu
khổng lồ, nội dung phong phú phục vụ cho tất cả các nhu cầu học tập, nghiên cứu của
độc giả.
Nguồn tài liệu mở phong phú có trên VOER có được là do sự chia sẻ tự nguyện của các
tác giả trong và ngoài nước. Quá trình chia sẻ tài liệu trên VOER trở lên dễ dàng như
đếm 1, 2, 3 nhờ vào sức mạnh của nền tảng Hanoi Spring.
Hanoi Spring là một nền tảng công nghệ tiên tiến được thiết kế cho phép công chúng dễ
dàng chia sẻ tài liệu giảng dạy, học tập cũng như chủ động phát triển chương trình giảng
dạy dựa trên khái niệm về học liệu mở (OCW) và tài nguyên giáo dục mở (OER) . Khái
niệm chia sẻ tri thức có tính cách mạng đã được khởi xướng và phát triển tiên phong
bởi Đại học MIT và Đại học Rice Hoa Kỳ trong vòng một thập kỷ qua. Kể từ đó, phong
trào Tài nguyên Giáo dục Mở đã phát triển nhanh chóng, được UNESCO hỗ trợ và được
chấp nhận như một chương trình chính thức ở nhiều nước trên thế giới.
13/13